Поставщики устройств обратной связи по энергии напоминают, что преобразователи частоты часто сталкиваются с различными проблемами в процессе отладки и эксплуатации, среди которых наиболее распространено перенапряжение. При возникновении перенапряжения, чтобы предотвратить повреждение внутренней цепи, активируется функция защиты преобразователя частоты от перенапряжения, что приводит к остановке работы преобразователя и, как следствие, к сбоям в работе оборудования.
Поэтому необходимо принимать меры для устранения перенапряжения и предотвращения возникновения неисправностей. В связи с различными условиями применения преобразователей частоты и двигателей причины перенапряжения также различаются, поэтому меры должны приниматься в зависимости от конкретной ситуации.
Генерация перенапряжения в преобразователе частоты и рекуперативное торможение
Так называемым перенапряжением преобразователя частоты называется ситуация, когда напряжение преобразователя частоты по разным причинам превышает номинальное, что проявляется главным образом в постоянном напряжении звена постоянного тока преобразователя частоты.
В нормальном режиме работы постоянное напряжение преобразователя частоты представляет собой среднее значение после трёхфазного двухполупериодного выпрямления. При расчёте на основе линейного напряжения 380 В среднее постоянное напряжение Ud = 1,35, Uline = 513 В.
При возникновении перенапряжения накопительный конденсатор на шине постоянного тока заряжается. При повышении напряжения примерно до 700 В (в зависимости от модели) срабатывает защита преобразователя частоты от перенапряжения.
Существуют две основные причины перенапряжения в преобразователях частоты: перенапряжение сети и рекуперативное перенапряжение.
Перенапряжение в сети — это ситуация, когда напряжение на шине постоянного тока превышает номинальный уровень из-за чрезмерного напряжения источника питания. В настоящее время входное напряжение большинства преобразователей частоты может достигать 460 В, поэтому перенапряжение, вызванное источником питания, встречается крайне редко.
Основной вопрос, обсуждаемый в данной статье, — это регенерация перенапряжения.
Основными причинами возникновения рекуперативного перенапряжения являются: при замедлении нагрузки ГД2 (крутящего момента маховика) время замедления, установленное преобразователем частоты, слишком мало;
Двигатель подвергается воздействию внешних сил (например, вентиляторов и подъемных механизмов) или потенциальных нагрузок (например, лифтов и кранов) при опускании. По этим причинам фактическая скорость двигателя превышает заданную скорость преобразователя частоты, что означает, что скорость ротора двигателя превышает синхронную скорость. В это время скорость скольжения двигателя отрицательна, а направление обмотки ротора, пересекающей вращающееся магнитное поле, противоположно направлению состояния двигателя. Создаваемый ею электромагнитный момент является тормозным моментом, который препятствует направлению вращения. Таким образом, электродвигатель фактически находится в состоянии генерации, и кинетическая энергия нагрузки «рекуперируется» в электрическую энергию.
Рекуперативная энергия заряжает конденсатор постоянного тока инвертора через обратный диод инвертора, вызывая повышение напряжения на шине постоянного тока, что называется рекуперативным перенапряжением. Крутящий момент, возникающий в процессе рекуперации перенапряжения, противоположен исходному крутящему моменту, который является тормозным моментом. Таким образом, процесс рекуперации перенапряжения также является процессом рекуперативного торможения.
Другими словами, исключение рекуперативной энергии увеличивает тормозной момент. Если рекуперативная энергия невелика, то инвертор и двигатель обладают рекуперативной тормозной способностью 20, и эта часть электроэнергии будет потребляться инвертором и двигателем. Если эта энергия превысит потребляемую мощность преобразователя частоты и двигателя, конденсатор цепи постоянного тока перезарядится, и сработает защита преобразователя частоты от перенапряжения, что приведет к остановке работы. Чтобы избежать этой ситуации, необходимо своевременно утилизировать эту энергию, одновременно увеличивая тормозной момент, что и является целью рекуперативного торможения.
Меры по предотвращению перенапряжения преобразователей частоты
В связи с различными причинами перенапряжения, принимаемые меры также различаются. Для решения проблемы перенапряжения, возникающего во время парковки, если нет особых требований к времени или месту парковки, можно использовать метод увеличения времени замедления преобразователя частоты или метод свободной парковки. Так называемая свободная парковка подразумевает, что преобразователь частоты отключает главный выключатель, позволяя двигателю свободно вращаться и останавливаться.
Если имеются определенные требования к времени или месту парковки, можно использовать функцию торможения постоянным током.
Функция торможения постоянным током заключается в замедлении двигателя до определенной частоты, а затем в подаче постоянного тока на обмотку статора двигателя для формирования статического магнитного поля.
Обмотка ротора двигателя размыкает это магнитное поле и создаёт тормозной момент, который преобразует кинетическую энергию нагрузки в электрическую и потребляет её в виде тепла в цепи ротора двигателя. Поэтому этот тип торможения также известен как энергопотребляющее торможение. Процесс торможения постоянным током фактически включает в себя два процесса: рекуперативное торможение и торможение с потреблением энергии. КПД этого метода торможения составляет всего 30–60% от рекуперативного торможения, а тормозной момент относительно невелик. Поскольку потребление энергии двигателем может привести к перегреву, время торможения не должно быть слишком длительным.
Более того, пусковая частота, время торможения и тормозное напряжение при торможении постоянным током устанавливаются вручную и не могут быть автоматически скорректированы в зависимости от уровня рекуперативного напряжения. Поэтому торможение постоянным током не может использоваться при перенапряжении, возникающем в нормальном режиме работы, и может применяться только для торможения во время стоянки.
Для решения проблемы перенапряжения, вызванного чрезмерным крутящим моментом маховика нагрузки (GD2) во время замедления (с высокой скорости на низкую без остановки), можно использовать метод соответствующего увеличения времени замедления. Фактически, этот метод также использует принцип рекуперативного торможения. Увеличение времени замедления контролирует только скорость зарядки инвертора за счет рекуперативного напряжения нагрузки, чтобы разумно использовать рекуперативную тормозную способность самого инвертора. Что касается нагрузок, которые заставляют двигатель находиться в состоянии рекуперации из-за внешних сил (включая высвобождение потенциальной энергии), поскольку они обычно работают в состоянии торможения, рекуперативная энергия слишком высока для потребления самим преобразователем частоты. Поэтому невозможно использовать торможение постоянным током или увеличивать время замедления.
По сравнению с торможением постоянным током, рекуперативное торможение обеспечивает более высокий тормозной момент, а его величина может автоматически регулироваться тормозным блоком преобразователя частоты в соответствии с требуемым тормозным моментом нагрузки (т.е. уровнем рекуперативной энергии). Таким образом, рекуперативное торможение наиболее подходит для обеспечения тормозного момента нагрузки в нормальном режиме работы.
Метод рекуперативного торможения с преобразованием частоты:
1. Тип потребления энергии:
Этот метод включает параллельное включение тормозного резистора в цепь постоянного тока преобразователя частоты и управление включением/выключением силового транзистора, контролируя напряжение на шине постоянного тока. При повышении напряжения на шине постоянного тока примерно до 700 В силовой транзистор переходит в состояние проводимости, передавая рекуперированную энергию резистору и потребляя её в виде тепловой энергии, тем самым предотвращая рост напряжения постоянного тока. В связи с невозможностью использования рекуперированной энергии, этот метод относится к типу энергопотребляющего торможения. Как энергопотребляющий метод, он отличается от торможения постоянным током тем, что потребляет энергию на тормозном резисторе, расположенном вне двигателя, что предотвращает перегрев двигателя и позволяет ему работать чаще.
2. Тип поглощения параллельной шины постоянного тока:
Подходит для многодвигательных приводных систем (например, растяжных машин), в которых для каждого двигателя требуется преобразователь частоты, несколько преобразователей частоты используют один преобразователь частоты на стороне сети, а все инверторы подключены параллельно к общей шине постоянного тока. В такой системе часто один или несколько двигателей работают в режиме торможения. Двигатель в режиме торможения тянется другими двигателями для генерации рекуперативной энергии, которая затем поглощается двигателем в электрическом состоянии через параллельную шину постоянного тока. Если энергия не может быть полностью поглощена, она потребляется через общий тормозной резистор. Рекуперированная энергия здесь частично поглощается и используется, но не возвращается в сеть.
3. Тип энергетической обратной связи:
Сетевой инвертор с обратной связью по энергии является обратимым. При генерации рекуперативной энергии обратный преобразователь возвращает рекуперативную энергию в сеть, что позволяет полностью её использовать. Однако этот метод требует высокой стабильности электропитания, и при внезапном отключении электроэнергии происходит инверсия и опрокидывание.